毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异

doi:10.11686/cyxb2023208

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (4): 122-134.DOI: 10.11686/cyxb2023208

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毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异

常单娜¹(), 陈子英², 韩梅², 李正鹏², 严清彪², 吕帅磊¹, 周国朋¹, 孙小凤², 曹卫东¹()

^1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，北京 100081
^2.青海大学农林科学院土壤肥料研究所，青海西宁 810016

收稿日期:2023-06-23 修回日期:2023-09-07 出版日期:2024-04-20 发布日期:2024-01-15
通讯作者: 曹卫东
作者简介:E-mail： caoweidong@caas.cn
常单娜（1987-），女，河南新乡人，助理研究员，博士。 E-mail： changdanna@caas.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFD1700200);国家绿肥产业技术体系(CARS-22);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132022013);绿肥种质资源安全保存(19230869);国家作物种质资源库绿肥分库运行服务(NCGRC-2023-19);中国农业科学院科技创新工程资助

Differences in phosphorus acquisition characteristics and rhizosphere properties among different hairy vetch genotypes

Dan-na CHANG¹(), Zi-ying CHEN², Mei HAN², Zheng-peng LI², Qing-biao YAN², Shuai-lei LV¹, Guo-peng ZHOU¹, Xiao-feng SUN², Wei-dong CAO¹()

^1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China，Beijing 100081，China
^2.Institute of Soil and Fertilizer，Qinghai Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Qinghai University，Xining 810016，China

Received:2023-06-23 Revised:2023-09-07 Online:2024-04-20 Published:2024-01-15
Contact: Wei-dong CAO

摘要/Abstract

摘要：

毛叶苕子是我国重要的肥饲兼用绿肥作物，研究毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异，为毛叶苕子磷高效利用提供理论支撑。在青海西宁开展盆栽试验，设置毛叶苕子品种和磷肥种类双因素，毛叶苕子品种为大田试验筛选的磷高效及磷低效品种（系）各2个，磷肥种类为过磷酸钙和磷矿粉，设置不施磷肥对照，共12个处理。盛花期测定分析毛叶苕子磷素积累量、土壤磷组分、土壤有机酸、根系酸性磷酸酶（RACP）、土壤酸性及碱性磷酸酶活性（ACP、ALP）、土壤酸性及碱性磷酸酶（phoC、phoD）基因丰度。结果显示，不同磷效率毛叶苕子品种（系）总磷吸收量和磷肥利用率分别为7.45~46.07 mg·盆^-1和7.12%~22.49%；磷高效品种（系）总磷吸收量和磷肥利用率均显著高于磷低效品种（系），增幅分别为0.91%~61.20%和12.52%~60.25%。相比磷低效品种（系），磷高效品种（系）提高了活性磷（labile P）和中等活性磷（moderately labile P）的比例，降低了稳定性磷（stable P）的比例，后者的活性磷和中等活性磷的比例分别是前者的6.14~26.14倍和1.04~1.54倍，前者的稳定性磷库比例是后者的2.92~7.91倍。磷高效品种（系）土壤总有机酸（TOA）、草酸（OXA）含量、RACP、ACP、ALP活性均显著高于磷低效品种（系），分别提高117.45%~254.60%、19.40%~50.75%、16.37%~146.40%、6.19%~104.19%和6.16%~35.06%。磷高效品种（系）phoC 和 phoD丰度分别是磷低效品种（系）的1.07~2.58倍和1.46~3.64倍。线性回归分析表明，土壤TOA、OXA、RACP、ACP与活性磷均呈显著或极显著正相关，决定系数分别为0.40、0.46、0.13、0.19；与stable P均呈显著或极显著负相关，决定系数分别为0.75、0.58、0.41和0.49。综上，磷高效毛叶苕子品种（系）活化难溶性磷的能力较强，具有更高的磷素积累量和磷肥利用率。其主要通过增加有机酸（主要是草酸）含量、磷酸酶活性、phoC和phoD基因丰度活化难溶性磷，提高土壤中活性磷和中等活性磷的比例，促进对磷的吸收利用。

关键词: 毛叶苕子品种（系）, 土壤磷组分, 有机酸, 磷酸酶活性, 磷酸酶基因

Abstract:

Hairy vetch （Vicia villosa） is one of China’s most important fertilizer and forage dual-purpose green manure crops. In this study， we investigated differences in phosphorus （P） acquisition and rhizosphere properties among different genotypes of hairy vetch to provide baseline knowledge about phosphorus utilization in hairy vetch. A pot experiment was carried out in Xining city， Qinghai Province， testing two factors： Hairy vetch cultivars and phosphate fertilizer types. Two P-efficient and two P-inefficient hairy vetch cultivars were screened in a field test. The phosphate fertilizers were calcium superphosphate and rock phosphate， and the control had no phosphate fertilizer added. We analyzed P uptake， soil P fractions， soil organic acid contents， root acid phosphatase （RACP） and soil acid and alkaline phosphatase activities （ACP and ALP）， and the abundance of genes encoding soil acid and alkaline phosphatases （phoC and phoD） at the full-bloom stage of hairy vetch. The results showed that the ranges of total P-uptake and P-utilization rates of hairy vetch cultivars were 7.45-46.07 mg·pot^-1 and 7.12%-22.49%， respectively. The total P-uptake and P-fertilizer utilization rates were significantly higher in P-efficient cultivars than in P-inefficient cultivars， by 0.91%-61.20% and 12.52%-60.25%， respectively. Compared with P-inefficient cultivars， P-efficient cultivars contained higher proportions of labile P and moderately labile P and lower proportions of stable P. The proportions of labile P and moderately labile P in P-efficient cultivars were 6.14-26.14 times higher and 1.04-1.54 times higher， respectively， than those in P-inefficient cultivars. The proportion of stable P was 2.92-7.91 times higher in P-inefficient cultivars than in P-efficient cultivars. Soil total organic acid and oxalic acid contents， and the activities of RACP， ACP， and ALP were significantly higher in P-efficient cultivars than in P-inefficient cultivars by 117.45%-254.60%， 19.40%-50.75%， 16.37%-146.40%， 6.19%-104.19%， and 6.16%-35.06%， respectively. The abundance of phoC and phoD was 1.07-2.58 times higher and 1.46-3.64 times higher， respectively， in P-efficient cultivars than in P-inefficient cultivars. Linear regression analyses showed that soil total organic acid and oxalic acid contents and RACP and ACP activities were significantly positively correlated with soil labile P （determination coefficients of 0.40， 0.46， 0.13， and 0.19， respectively）， but significantly or very significantly negatively correlated with stable P （determination coefficients of 0.75， 0.58， 0.41， and 0.49， respectively）. In summary， compared with the P-inefficient cultivars， the P-efficient hairy vetch cultivars showed stronger abilities to acquire insoluble P and had higher P-uptake and P-fertilizer utilization rates. The P-efficient hairy vetch cultivars acquired immobile P by increasing organic acid （mainly oxalic acid） contents and phosphatase activity， accompanied by increased abundance of phoC and phoD genes in the soil， which in turn increased the proportions of labile P and moderately labile P and promoted P absorption and utilization.

Key words: hairy vetch cultivars （lines）, soil phosphorus fractions, organic acid, phosphatase activity, phosphatase gene

常单娜, 陈子英, 韩梅, 李正鹏, 严清彪, 吕帅磊, 周国朋, 孙小凤, 曹卫东. 毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异[J]. 草业学报, 2024, 33(4): 122-134.

Dan-na CHANG, Zi-ying CHEN, Mei HAN, Zheng-peng LI, Qing-biao YAN, Shuai-lei LV, Guo-peng ZHOU, Xiao-feng SUN, Wei-dong CAO. Differences in phosphorus acquisition characteristics and rhizosphere properties among different hairy vetch genotypes[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(4): 122-134.

图/表 10

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处理 Treatment	品种 Variety	干重Dry weight （g·pot^-1）			根冠比 Root/shoot （%）	磷吸收量P uptake （mg·pot^-1）			利用率 Utilization rate （%）
处理 Treatment	品种 Variety	地上部 Shoot	地下部 Root	总计 Total	根冠比 Root/shoot （%）	地上部 Shoot	地下部 Root	总计 Total	利用率 Utilization rate （%）
CK	HV₁	8.88±0.04gh	0.48±0.01c	9.36±0.05hi	5.44±0.20a	9.19±0.10fgh	0.50±0.01b	9.70±0.10ef	-
	HV₂	9.25±0.08g	0.46±0.02c	9.71±0.08h	5.04±0.29a	12.25±0.66ef	0.51±0.06b	12.01±0.14e	-
	HV₃	8.63±0.05h	0.29±0.01ef	8.92±0.04i	3.44±0.17d	10.72±0.15efgh	0.18±0.02c	7.45±0.31f	-
	HV₄	7.30±0.02i	0.27±0.02ef	7.58±0.03j	3.78±0.27cd	8.15±0.27gh	0.24±0.03c	8.39±0.27f	-
SP	HV₁	25.53±0.19b	0.72±0.03a	26.25±0.22b	2.83±0.11e	40.96±4.22b	0.99±0.09a	39.45±1.98b	21.91±0.11e
	HV₂	26.21±0.37a	0.67±0.01a	26.88±0.35a	2.58±0.08e	45.21±1.59a	0.86±0.08a	46.07±1.67a	22.49±0.08e
	HV₃	24.40±0.05c	0.38±0.02d	24.79±0.05c	1.59±0.10f	38.29±0.35bc	0.80±0.08ab	39.15±0.31b	19.47±0.10f
	HV₄	21.55±0.10d	0.55±0.03b	22.10±0.11d	2.06±0.14f	36.32±0.85c	0.63±0.03b	36.96±0.86b	18.20±0.14f
RP	HV₁	11.67±0.13e	0.48±0.01c	18.24±0.22e	4.18±0.11bc	16.69±0.62d	0.53±0.03b	25.85±0.98c	11.41±0.11bc
	HV₂	10.33±0.16f	0.45±0.02c	16.17±0.26f	4.36±0.14b	14.19±0.24de	0.60±0.12b	24.08±0.37c	10.27±0.14b
	HV₃	9.27±0.04g	0.25±0.00f	14.29±0.07g	2.75±0.09e	7.27±0.33h	0.09±0.00c	16.22±0.23d	7.12±0.09e
	HV₄	9.11±0.02g	0.31±0.00e	14.14±0.03g	3.50±0.09d	12.07±0.36efg	0.11±0.00c	16.78±0.37d	7.25±0.09d
磷P		14769.73***	120.56***	9292.87***	103.45***	595.91***	80.69***	1298.73***	423.13***
品种HV		230.20***	92.13***	252.82***	37.56***	10.44***	25.64***	41.77***	13.33***
磷P×品种HV		37.18***	3.60***	35.08***	63.92***	3.84**	3.24*	8.01***	0.67ns

处理 Treatment	品种 Variety	干重Dry weight （g·pot^-1）			根冠比 Root/shoot （%）	磷吸收量P uptake （mg·pot^-1）			利用率 Utilization rate （%）
处理 Treatment	品种 Variety	地上部 Shoot	地下部 Root	总计 Total	根冠比 Root/shoot （%）	地上部 Shoot	地下部 Root	总计 Total	利用率 Utilization rate （%）
CK	HV₁	8.88±0.04gh	0.48±0.01c	9.36±0.05hi	5.44±0.20a	9.19±0.10fgh	0.50±0.01b	9.70±0.10ef	-
	HV₂	9.25±0.08g	0.46±0.02c	9.71±0.08h	5.04±0.29a	12.25±0.66ef	0.51±0.06b	12.01±0.14e	-
	HV₃	8.63±0.05h	0.29±0.01ef	8.92±0.04i	3.44±0.17d	10.72±0.15efgh	0.18±0.02c	7.45±0.31f	-
	HV₄	7.30±0.02i	0.27±0.02ef	7.58±0.03j	3.78±0.27cd	8.15±0.27gh	0.24±0.03c	8.39±0.27f	-
SP	HV₁	25.53±0.19b	0.72±0.03a	26.25±0.22b	2.83±0.11e	40.96±4.22b	0.99±0.09a	39.45±1.98b	21.91±0.11e
	HV₂	26.21±0.37a	0.67±0.01a	26.88±0.35a	2.58±0.08e	45.21±1.59a	0.86±0.08a	46.07±1.67a	22.49±0.08e
	HV₃	24.40±0.05c	0.38±0.02d	24.79±0.05c	1.59±0.10f	38.29±0.35bc	0.80±0.08ab	39.15±0.31b	19.47±0.10f
	HV₄	21.55±0.10d	0.55±0.03b	22.10±0.11d	2.06±0.14f	36.32±0.85c	0.63±0.03b	36.96±0.86b	18.20±0.14f
RP	HV₁	11.67±0.13e	0.48±0.01c	18.24±0.22e	4.18±0.11bc	16.69±0.62d	0.53±0.03b	25.85±0.98c	11.41±0.11bc
	HV₂	10.33±0.16f	0.45±0.02c	16.17±0.26f	4.36±0.14b	14.19±0.24de	0.60±0.12b	24.08±0.37c	10.27±0.14b
	HV₃	9.27±0.04g	0.25±0.00f	14.29±0.07g	2.75±0.09e	7.27±0.33h	0.09±0.00c	16.22±0.23d	7.12±0.09e
	HV₄	9.11±0.02g	0.31±0.00e	14.14±0.03g	3.50±0.09d	12.07±0.36efg	0.11±0.00c	16.78±0.37d	7.25±0.09d
磷P		14769.73***	120.56***	9292.87***	103.45***	595.91***	80.69***	1298.73***	423.13***
品种HV		230.20***	92.13***	252.82***	37.56***	10.44***	25.64***	41.77***	13.33***
磷P×品种HV		37.18***	3.60***	35.08***	63.92***	3.84**	3.24*	8.01***	0.67ns

处理 Treatment	品种 Variety	活性磷Labile P			中等活性磷Moderately labile P			稳定性磷Stable P
处理 Treatment	品种 Variety	Resin-Pi	NaHCO₃-Pi	NaHCO₃-Po	NaOH-Pi	NaOH-Po	Dil. HCl-P	Residual-P
CK	HV₁	1.61±0.07b	3.38±0.18e	18.89±0.86c	1.97±0.07bc	3.58±0.14b	514.28±4.17cd	29.51±0.48f
	HV₂	0.53±0.06e	1.58±0.09g	43.06±1.78b	1.85±0.04bc	2.54±0.09d	491.30±5.09e	38.44±0.94ef
	HV₃	0.30±0.02ef	0.69±0.05h	1.55±0.13f	0.97±0.07e	1.66±0.05f	489.50±7.87e	249.24±7.25b
	HV₄	0.27±0.04ef	0.88±0.13h	1.14±0.05f	0.94±0.05e	1.00±0.03g	451.95±1.48f	313.51±0.89a
SP	HV₁	2.66±0.09a	9.42±0.15a	47.23±1.86a	3.49±0.55e	4.33±0.12a	508.68±3.67d	28.18±0.52f
	HV₂	2.69±0.12a	9.79±0.20a	46.76±1.15a	3.45±0.06a	2.38±0.09d	517.86±1.12cd	36.64±0.86ef
	HV₃	1.57±0.20bc	6.27±0.34c	1.14±0.09f	1.70±0.06cd	1.65±0.13f	528.59±5.88c	113.00±3.56d
	HV₄	1.36±0.07c	7.02±0.07b	1.39±0.11f	1.91±0.15bc	1.75±0.09f	400.27±7.11g	200.09±1.36c
RP	HV₁	1.68±0.06b	4.62±0.05d	15.76±0.31d	2.39±0.04b	2.93±0.09c	607.57±2.58a	32.40±0.59f
	HV₂	0.78±0.01d	6.74±0.35bc	11.10±0.30e	1.91±0.09bc	2.07±0.07e	622.99±10.45a	45.18±0.81e
	HV₃	0.38±0.06ef	1.17±0.12gh	1.87±0.15f	1.18±0.21de	1.69±0.10f	564.71±6.21b	204.43±10.37c
	HV₄	0.30±0.01f	2.21±0.10f	0.31±0.01f	0.94±0.15e	0.79±0.05g	564.09±3.63b	303.13±1.43a
磷P		7.49***	953.82***	383.31***	298.71***	51.48***	444.51***	301.44***
品种HV		5.15***	192.21***	1177.09***	51.13***	399.11***	111.07***	2272.81***
磷P×品种HV		5.27***	70.96***	179.62***	18.34***	14.66***	26.44***	93.86***

处理 Treatment	品种 Variety	活性磷Labile P			中等活性磷Moderately labile P			稳定性磷Stable P
处理 Treatment	品种 Variety	Resin-Pi	NaHCO₃-Pi	NaHCO₃-Po	NaOH-Pi	NaOH-Po	Dil. HCl-P	Residual-P
CK	HV₁	1.61±0.07b	3.38±0.18e	18.89±0.86c	1.97±0.07bc	3.58±0.14b	514.28±4.17cd	29.51±0.48f
	HV₂	0.53±0.06e	1.58±0.09g	43.06±1.78b	1.85±0.04bc	2.54±0.09d	491.30±5.09e	38.44±0.94ef
	HV₃	0.30±0.02ef	0.69±0.05h	1.55±0.13f	0.97±0.07e	1.66±0.05f	489.50±7.87e	249.24±7.25b
	HV₄	0.27±0.04ef	0.88±0.13h	1.14±0.05f	0.94±0.05e	1.00±0.03g	451.95±1.48f	313.51±0.89a
SP	HV₁	2.66±0.09a	9.42±0.15a	47.23±1.86a	3.49±0.55e	4.33±0.12a	508.68±3.67d	28.18±0.52f
	HV₂	2.69±0.12a	9.79±0.20a	46.76±1.15a	3.45±0.06a	2.38±0.09d	517.86±1.12cd	36.64±0.86ef
	HV₃	1.57±0.20bc	6.27±0.34c	1.14±0.09f	1.70±0.06cd	1.65±0.13f	528.59±5.88c	113.00±3.56d
	HV₄	1.36±0.07c	7.02±0.07b	1.39±0.11f	1.91±0.15bc	1.75±0.09f	400.27±7.11g	200.09±1.36c
RP	HV₁	1.68±0.06b	4.62±0.05d	15.76±0.31d	2.39±0.04b	2.93±0.09c	607.57±2.58a	32.40±0.59f
	HV₂	0.78±0.01d	6.74±0.35bc	11.10±0.30e	1.91±0.09bc	2.07±0.07e	622.99±10.45a	45.18±0.81e
	HV₃	0.38±0.06ef	1.17±0.12gh	1.87±0.15f	1.18±0.21de	1.69±0.10f	564.71±6.21b	204.43±10.37c
	HV₄	0.30±0.01f	2.21±0.10f	0.31±0.01f	0.94±0.15e	0.79±0.05g	564.09±3.63b	303.13±1.43a
磷P		7.49***	953.82***	383.31***	298.71***	51.48***	444.51***	301.44***
品种HV		5.15***	192.21***	1177.09***	51.13***	399.11***	111.07***	2272.81***
磷P×品种HV		5.27***	70.96***	179.62***	18.34***	14.66***	26.44***	93.86***

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毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异

Differences in phosphorus acquisition characteristics and rhizosphere properties among different hairy vetch genotypes

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图/表 10

参考文献 44

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